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      一種高壓電容器故障隱患測(cè)試分析裝置設(shè)計(jì)

      2014-06-23 02:44:16樊鳳敏李文亮陳昆楊龍張建張方榮
      云南電力技術(shù) 2014年1期
      關(guān)鍵詞:奎斯特容性電容器

      樊鳳敏,李文亮,陳昆,楊龍,張建,張方榮

      (1.云南電網(wǎng)公司普洱供電局,云南 普洱 665000;2.成都高斯電子技術(shù)有限公司,成都 610000)

      1 前言

      典型的高壓電容器故障有漏油,裂痕,破損,老化等,早期輕微的故障隱患可能累加導(dǎo)致特性不良,使得電容器補(bǔ)償效果變差,甚至補(bǔ)償能力變得不穩(wěn)定。以下提出的故障隱患試驗(yàn)方法,通過(guò)一種便攜式設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的試驗(yàn)變頻信號(hào),在較寬頻率范圍內(nèi)對(duì)電容器進(jìn)行快速充放電研究,從而分析電容器的故障嚴(yán)重程度及故障發(fā)展趨勢(shì)。該技術(shù)立足于高壓電容器的等效阻抗理論,將電容器看做代表不同頻率分支回路的電容器并聯(lián)組成,因此不同支路出現(xiàn)故障,即會(huì)在對(duì)應(yīng)頻率范圍的容抗參值上出現(xiàn)較明顯的變化,基于此提出了一套便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)框架,既可以用于實(shí)驗(yàn)室,也可以用于現(xiàn)場(chǎng)。下面就該試驗(yàn)設(shè)備的功能及原理分別進(jìn)行描述。

      2 容性等效阻抗的研究

      1)電容器介質(zhì)阻抗響應(yīng)分析對(duì)于內(nèi)部缺陷的可行性:電容器內(nèi)部故障會(huì)導(dǎo)致電容器等效電容的分布發(fā)生變化,通過(guò)等效電路分析,如果在早期缺陷或故障隱患存在的情況下,阻抗在高頻階段會(huì)吸收更多的電流成分,因此曲線會(huì)發(fā)生偏移,隨著故障嚴(yán)重程度的加劇,阻抗變化會(huì)向低頻段移動(dòng)。因此頻率的變化會(huì)捕捉到內(nèi)部隱患的細(xì)節(jié),相對(duì)常規(guī)的電容值測(cè)量,靈敏度會(huì)高很多。

      2)對(duì)等效阻抗測(cè)試數(shù)據(jù)的描述分析:由于需要提高檢測(cè)靈敏度,將試驗(yàn)頻率盡可能覆蓋到代表故障的微小阻抗變化,本文提出的基于曲線差異的分析模式,包括阻抗頻譜、相角曲線、奈奎斯特曲線。同時(shí)具備數(shù)據(jù)圖譜的存儲(chǔ)管理,可比較其差異性和關(guān)聯(lián)性。雖然電容器的早期缺陷或隱患很難通過(guò)電容值直接測(cè)量出來(lái),但是高頻等效電容可能發(fā)生數(shù)倍甚至數(shù)十倍的變化,對(duì)高頻成分的吸收會(huì)出現(xiàn)明顯增加。通過(guò)頻譜分解,觀察數(shù)赫茲到數(shù)千赫茲范圍的阻抗譜值,便可以拓寬到高頻成分的分析,分析細(xì)微故障對(duì)于高頻電容的明顯變化。因此只需要一個(gè)阻抗掃頻的裝置,分析阻抗頻率曲線以及相角和奈奎斯特曲(實(shí)部和虛部的關(guān)聯(lián)曲線),即可快速查看內(nèi)部異常。除了基于曲線建立相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析手段外,曲線查看與分析的經(jīng)驗(yàn)同樣是必不可少的。

      3 試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵點(diǎn)

      3.1 試驗(yàn)源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用關(guān)鍵

      信號(hào)源可以直接施加在絕緣層和導(dǎo)體之間,受被測(cè)容量的影響,輸出功率會(huì)做響應(yīng)自動(dòng)的調(diào)整。嚴(yán)格上說(shuō),只有經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證,才能夠得到相對(duì)最優(yōu)的試驗(yàn)電壓,以及最佳匹配的特征試驗(yàn)頻率。內(nèi)部絕緣部件的變質(zhì)、破損是老化和隱患的主要特征之一,早期的缺陷不會(huì)導(dǎo)致工頻范圍的電容值變化,但會(huì)導(dǎo)致高頻范圍電容變化數(shù)倍。同時(shí)除了對(duì)比分析阻抗頻率響應(yīng)曲線外,還可通過(guò)實(shí)部與虛部的關(guān)聯(lián)曲線-奈奎斯特特性進(jìn)行分析,如圖 (1)所示。

      圖1 奈奎斯特曲線分析 (X為實(shí)部,Y軸為虛部)

      3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

      設(shè)備的功能模塊主要分為試驗(yàn)電壓發(fā)生器,試驗(yàn)電源功放,試驗(yàn)反饋信號(hào)通道,以及控制試驗(yàn)電壓頻率和電壓,AD采樣的MCU單元,以及的通信和供電設(shè)備等。

      通過(guò)對(duì)電容器結(jié)構(gòu)的等效電氣回路仿真,主要的電容器故障隱患可以通過(guò)在頻率0.1-30kHz內(nèi)進(jìn)行阻抗譜值分析體現(xiàn)出來(lái)。因此本技術(shù)路線主要基于:

      1)阻抗譜曲線的獲取,包括阻抗頻率特性曲線、奈奎斯特曲線 (實(shí)部與虛部的關(guān)系)

      2)特征曲線的解釋?zhuān)⑴c故障的關(guān)聯(lián)

      阻抗譜的獲取主要采用非破壞性測(cè)試手段,基于寬頻域的阻抗測(cè)試方法,實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻帶的阻抗特性曲線繪制。技術(shù)實(shí)現(xiàn)包括:

      a.頻可調(diào) (變頻變壓)試驗(yàn)源:目前市面上用的掃頻儀僅能針對(duì)功率 (DB)進(jìn)行測(cè)試,難以區(qū)分功率角,而功率角是反映復(fù)阻抗特性的關(guān)鍵參數(shù),因此有必要研制專(zhuān)用的可進(jìn)行準(zhǔn)確的復(fù)阻抗測(cè)試的信號(hào)源,要求幅頻特性均可調(diào)整,才能針對(duì)不同容量和結(jié)構(gòu)的電容器進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí),為確保試驗(yàn)源不受電容器對(duì)于沖擊電流的吸收影響,要求試驗(yàn)源有足夠的功率,至少達(dá)到20 VA的輸出,比常規(guī)掃頻儀的功率提高了5~10倍。

      b.寬頻信號(hào)響應(yīng)采集:要求能夠快速準(zhǔn)確捕捉試驗(yàn)源輸出的復(fù)響應(yīng)信號(hào),包括輸出電壓及輸出電流和角差。

      c.圖形生成與解釋?zhuān)?chǔ)能響應(yīng)分析平臺(tái):通過(guò)復(fù)阻抗特征曲線建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù),比較試驗(yàn)電容器的曲線差異來(lái)反映電容器內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的等效高頻阻抗的變化。主要分析的圖表工具為阻抗模值及曲線、奈奎斯特曲線、角差頻率曲線。

      3.3 試驗(yàn)系統(tǒng)功能描述

      系統(tǒng)核心由FPGA擔(dān)任本地控制的采集與試驗(yàn)輸出控制。軟件平臺(tái)通過(guò)移動(dòng)PC與FPGA交互實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,儲(chǔ)存與分析,見(jiàn)圖2。

      硬件控制流程圖

      圖2 高壓電容器故障隱患測(cè)試硬件框圖

      3.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)接線

      圖3 高壓電容器故障隱患測(cè)試系統(tǒng)接線

      由于試驗(yàn)輸出受內(nèi)部程序控制頻率,幅值及重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)等,因此輸出端只需兩端接線,內(nèi)部采用補(bǔ)償參數(shù)的方法對(duì)輸出試驗(yàn)接線的阻抗影響進(jìn)行補(bǔ)償,本試驗(yàn)采用的DIRA600電容器故障隱患測(cè)試系統(tǒng),如圖3所示。

      3.5 應(yīng)用控制流程說(shuō)明

      試驗(yàn)裝置的接線簡(jiǎn)單

      為確保試驗(yàn)輸出有較寬的應(yīng)用覆蓋面,本試驗(yàn)系統(tǒng)在頻率設(shè)置,掃頻頻段等方面做了特殊考慮。

      4 曲線分析

      容性電流頻譜特征曲線如圖4、圖5所示

      圖4 容性電流頻譜曲線

      圖5 容性阻抗頻譜曲線

      容性阻抗頻譜特征曲線如圖6示,該電容器在125角頻率附近出現(xiàn)較明顯的突變,經(jīng)設(shè)備解體發(fā)現(xiàn)一路分支串聯(lián)電容已經(jīng)短路。

      5 結(jié)束語(yǔ)

      綜上所述,小信號(hào)容性儲(chǔ)能分析方法用于電容器故障隱患測(cè)試是可行的,該方法基于等效阻抗理論的出發(fā)點(diǎn)將高壓電容器理解成代表不同頻率分支的支路并聯(lián)組成,因此通過(guò)發(fā)現(xiàn)不同頻率點(diǎn)的阻抗變化特征來(lái)分析電容器內(nèi)部故障的情況具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確度。而且本文建立的以曲線差異分析為主的方法簡(jiǎn)化了分析的難度,無(wú)需計(jì)算單一頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化,使得測(cè)試和分析顯得直觀,容易掌握。

      [1]Jian Zhang,Tianbin Wang,HV capacitive equipments equivalent circuits analysis,2012,Ieeetm(ORG)

      [2]Samuel M.Goldwasser,Capacitor Testing,Safe Discharging and Other Related Information,2004,SciElectronics

      [3]S.D.GOKHALE,Variable frequency HV Testing of Capacitor an Embedded approach,Textile& Engineering Institute,RAJWADA Ichalkaranji,International Journal of Engineering Science and Innovative Technology(IJESIT),Volume 2,Issue 3,May 2013H

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